2.1.2 实践知识
(1)电位差计
用伏特表测电位差或电动势时，由于伏特表自身的内阻在电路中有分流作用，往往产生较大的测量误差。而用电位差计测电位差或电动势时，却不存在这个问题。箱式电位差计是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。它采用电位比较法依据补偿原理进行测量，由于与之配合使用的标准电池电动势非常稳定，用作检测电流的灵敏电流计灵敏度很高，加上箱式电位差计的电压比电路精确度高。因此，它能精确地测量待测的电位差和电池电动势。同时，因箱式电位差计精度很高，常用来校正电压表和电流表。
1)电压补偿原理
电压补偿原理如图2.10所示，Ex为被测未知电动势，E0为可以调节的已知电源，G为检流计。在此回路中，若E0≠Ex，则回路中一定有电流，检流计指针偏转。调整E0值，可使检流计G指示零值，这就说明此时回路中两电源的电动势必然是大小相等、方向相反，在数值上，Ex=E0，因而相互补偿(平衡)。这种测电压或电动势的方法称为补偿法。电位差计是应用这种补偿原理设计而成的测量电动势或电位差的仪器。
由上可知，构成电位差计需要有一个特定的可调电源E0，而且要求它满足两个条件:一是它的大小便于调节，使E0能够和Ex补偿;二是它的电压相对稳定，能读出精确的伏特值。
2)电位差计原理
图2.10中E，Rs，Rp组成辅助回路，Ex，K，G，Ra和Es，Rs，G，K各组成一个补偿回路。电位差计应用的补偿原理，是用可调的已知电压E0=IR0与被测电动势Ex相比较，当检流计指示零时，两者相等从而获得测量结果，如图2.10(b)所示。由欧姆定律U=IR可知，要想得到可调的已知电压E0，可先使电流I确定为一恒定的已知标准电流I0，然后使I0流过电阻R，如果Ra的大小可调并可知(Ra是R在补偿回路Ex，K，G，Ra中的部分)，则Ra两端的电压降U即为可调已知，有U=I0Ra，将Ra两端的电压U引出，并与未知电动势Ex进行比较，组成补偿回路，则U相当于上面所要求的“E0”。
①校准工作电流。
辅助回路中的电流称为工作电流。为使Ra中通过的电流是已知的标准电流I0，在图2.10(b)中，使开关K倒向右端1，调节Rp改变辅助回路中的电流，当检流计指示零时，Rs上的电压降恰与补偿回路中标准电池的电动势Es相等，有Es=I0×Rs，由于Es和Rs都是很准确的，因此这时辅助回路中的工作电流就被精确地校准到所需要的I0值。
②测量未知电动势。
把K倒向左端2，保持I0不变，只要Ex≤I0R，总可以滑动Ra使检流计再度指示为零，可得
图2.10 电位差计及其原理图
因为测量时保证I0恒定不变，所以Ex与Ra一一对应。一般箱式电位差计在制造时，用可调节的标准电动势取代Ex给Ra定标，在测量未知电动势Ex时就可从Ra示值上直接读出所测电动势Ex值。
3)补偿法具有的优点
①电位差计是一个电阻分压装置，其中被测电压Ex和标准电动势Es，二者接近可直接加以比较。Ex的值仅取决于电阻比Ra/Rs及标准电动势Es，因而可能达到的测量准确度较高。
②上述“校准”和“测量”步骤中电流计两次均指零，表明测量时既不从标准回路内的标准电动势源(通常用标准电池)中吸取电流，也不从测量的回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及被测电压值等参量，同时可避免测量回路导线电阻、标准电池内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一原因。
4)电位差计的使用
①测干电池的电动势E。
a.调整检流计的机械零点:将开关S扳向“测量”端，开关S应放在中间“断”的位置。调节检流计G上的小机械调零旋钮，使指针指零。
b.接入待测电动势:将待测电动势接到两个“未知”接线柱上(可在第一步之前进行)。将A和B两个读数盘的示值预置在待测电动势值附近(A和B两个读数盘的示值和为电位差计内部补偿电势EP)。
c.工作电流标准化:将开关S扳向“标准”端。调节工作电流电位器RC(也称为多圈电位器，在面板右上角)，使检流计指针指零。此时的工作电流为标准化工作电流In。
d.测未知电动势:将开关S扳向“未知”端。调节读数盘A和B，使检流计指针指零。此时A盘读数和B盘(红线下)读数之和为被测电动势的值。
e.工作电流检查:当待测电动势值测量后，还应将开关S扳向“标准”端，检查检流计指针是否为零。如果不为零，校准工作电流后，应重新测量。
图2.11 干电池内阻测量线路图
注意:实验结束后，必须将开关S置于“断”的位置，否则电位差计内部电池将会继续工作，造成不必要的浪费，甚至会腐蚀仪器。
②测量干电池的内阻。
如图2.11所示，开关S合上。电源内阻为r，电流为I，干电池的端电压为U，则:
③测量电阻RX。
测量电阻时，可按图2.12接线。为了减少测量误差，选用标准电阻RN的数值，尽可能地接近被测电阻RX的数值，利用变阻器RP调节被测电路中的电流，使其小于电阻的额定负荷，分别测得标准电阻RN上的电压降UN和被测电阻上的电压降UX，按下列公式计算得
图2.12 电阻测量线路图
由于电阻测量采用的是两个电压降之比，因此，只要在电位差计工作电流不变的情况下，可以不必用标准电池来校准电位差计的工作电流。
(2)注意事项
①热电偶和补偿导线的极性。
②冷端温度补偿器的电源极性和平衡点温度。
③动圈表的机械零点。
【任务实施】
(1)选择工器具(表2.3)
表2.3 工器具清单
(2)温度测量系统接线(图2.13)
图2.13 热电偶测温回路接线
(3)误差分析实验操作
①检查动圈表的机械零点是否在规定的位置上。
②通电加热电炉使其温度恒定在目标温度点。
③用电位差计测量热电偶的电势值，以确定电炉的实际温度，并记下此时XCZ-101动圈表所示的温度。
(4)误差分析实验(表2.4)
①改变标准电阻箱的阻值(增大10Ω和减小10Ω)，观察并记录示值的变化。
②改变冷端的温度，观察并记录示值的变化。
③断开冷端温度补偿器的工作电源，观察并记录动圈表指示值的变化。
表2.4 误差分析表
(5)思考题
①热电偶为什么可以测量温度?
②影响热电偶输出热电势大小的因素有哪些?
③为什么要对热电偶冷端温度进行补偿?有哪些补偿方法?
④补偿导线的作用是什么?在使用中应注意哪些事项?
⑤温度显示仪表有哪几类?
⑥火电厂气水系统中主要温度信号有哪些?采用的测温元件分别是什么?所测温度信号的作用是什么?
【任务评价】
组建热电偶测温回路任务评价表
